Tahapan Penelitian Pengembangan proses produksi Alkil Poliglikosida (APG) dari glukosa dan pati sagu

Run Peubah sebenarnya b ii i2 b i i X X b i j i j X X b 11 12 b 22 22 b b 1 1 X b 2 2 X X X b 12 1 2 X X 50 Tabel 10 Peubah bebas dan respon untuk sintesis APG dari pati sagu dengan rancangan komposit terpusat Peubah yang disandikan x 1 x 2 X 1 X 2 Yield 1. 1:2,5 130 -1 -1 2. 1:6 130 1 -1 3. 1:2,5 150 -1 1 4. 1:6 150 1 1 5. 1:1,78 140 -1,414 6. 1:6,72 140 1,414 7. 1:4,25 125,86 -1,414 8. 1:4,25 154,14 1,414 9. 1:4,25 140 10. 1:4,25 140 Pemodelan Matematika Respon tunggal yang dimodelkan dengan menggunakan response surface methodology RSM berhubungan dengan peubah-peubah bebas. Dengan RSM, persamaan polinomial kuadratik dikembangkan untuk memprediksi respon sebagai fungsi peubah-peubah bebas yang meliputi interaksi-interaksinya Montgomery 2001. Pada umumnya, respon untuk polinomial kuadratik dapat dinyatakan seperti dalam Pers. 19 Y i b 19 i ii i j dimana Y adalah respon yang diprediksi, b adalah koefisien intersep, b i adalah koefisien dari suku linier, b ii adalah koefisien dari suku kudratik, b ij adalah koefisien dari suku interaksi, dan X i dan X j adalah peubah bebas yang disandikan. Dalam kajian ini, persamaan polinomial order dua didapatkan dengan menggunakan peubah bebas yang disandikan sebagai berikut Y 20 Harga koefisien-koefisien dari Pers. 20 ditentukan dengan menggunakan teknik analisis regresi ganda yang termasuk dalam RSM. Pengujian koefisien- 51 koefisien tersebut dilakukan dengan sidik ragam ANOVA, sedangkan kualitas pencocokan dari model dinilai dari koefisien korelasi dan koefisien determinasinya. Rancangan percobaan dalam penelitian ini diselesaikan dengan menggunakan paket program Design Expert versi 6.0.6. Kondisi proses optimum yang diperoleh kemudian divalidasi lagi. Proses produksi alkil poliglikosida APG dengan metode satu tahap Proses produksi APG dari glukosa dan dodekanol dilakukan dengan metode satu tahap. Diagram alirnya dapat dilihat pada Gambar 11. Variabel proses pada sintesis satu tahap ini adalah rasio mol glukosa-dodekanol dan suhu asetalisasi, sedangkan pada tahap netralisasi, distilasi, dan pemucatan tidak diubah-ubah. Proses asetalisasi dilakukan dengan mencampurkan dodekanol dan glukosa dengan perbandingan 3:1 sampai dengan perbandingan 6:1 dengan bantuan katalis asam p-toluene sulfonat. Kondisi reaksi diatur pada suhu 100 120°C selama 3 4 jam pada tekanan 15 25 mmHg. Setelah itu, campuran bahan dilakukan netralisasi sampai pH 8 10 dengan menggunakan NaOH 50 pada suhu 80°C. Setelah tahap tersebut akan terbentuk APG kasar yang masih bercampur dengan residu air+dodekanol yang tidak bereaksi sehingga dilakukan pemisahan dengan menggunakan distilasi vakum untuk mengeluarkan residu. Pemisahan dodekanol dilakukan pada suhu 160 200°C dan tekanan 15 mmHg. Tahap akhir adalah pemucatan untuk memperoleh APG murni pada suhu 50 100°C kurang lebih selama 2 jam. T = 100 120 C Distilasi T = 160 180 o C 52 Dodekanol Glukosa + p-toluene sulfonic acid o t = 230 menit P = 15 25 mmHg + NaOH 50 hingga pH 8 -10 Residu air+dodekanol Asetalisasi Netralisasi Didinginkan hingga T = 80 o C P = vakum APG Kasar + Air + H 2 O 2 + NaOH Bleaching 50 Alkil Poliglikosida APG Gambar 11 Diagram alir sintesis alkil poliglikosida satu tahap. 53 Proses produksi APG dari pati sagu dan dodekanol Proses produksi APG dari pati sagu dan dodekanol dilakukan dengan metode dua tahap, yaitu butanolisis dan transasetalisasi. Diagram alirnya dapat dilihat pada Gambar 12, sedangkan skema peralatan proses pembuatan APG dalam reaktor batch dapat dilihat pada Gambar 13. Pada sintesis dua tahap ini variabel prosesnya adalah rasio mol pati sagu- dodekanol dan suhu butanolisis, sedangkan pada tahap transasetalisasi, netralisasi, distilasi, dan pemucatan tidak diubah-ubah. Pada tahap butanolisis pati sagu, air dan butanol direaksikan dengan adanya katalis p-toluene sulfonic acid PTSA pada tekanan tinggi untuk membentuk butil glikosida. Reaksi ini berlangsung selama 30 menit pada suhu 130 150 o C, tekanan 3 5 bar dan kecepatan pengaduk 200 rpm. Pada tahap transasetalisasi, butil glikosida hasil dari butanolisis direaksikan dengan alkohol lemak C 12 dodekanol dengan bantuan katalis PTSA pada kondisi vakum. Reaksi ini berlangsung pada suhu 110 120 o C dan tekanan vakum selama 120 menit. Pada tahap ini dihasilkan alkil poliglikosida yang masih bercampur dengan dodekanol, sedangkan butanol berlebih yang tidak bereaksi dan air dikeluarkan. Setelah proses transasetalisasi dilakukan netralisasi untuk menghentikan reaksi pada suhu 80 o C dengan menggunakan NaOH hingga mencapai pH 8 10 Wuest et al. 1992. Kemudian campuran produk tersebut didistilasi untuk memisahkan alkohol lemak berlebih yang tidak bereaksi pada suhu 160 180 o C dan tekanan vakum. Produk APG yang diperoleh dilarutkan dalam air hingga konsentrasi yang diinginkan. Setelah itu dilakukan proses pemucatan pada suhu 80 90 o C. Proses pemucatan dilakukan dengan menambahkan larutan H 2 O 2 dan MgO serta NaOH hingga diperoleh produk dengan pH 8 10. T = 110 120 C 54 Pati Sagu Butanol Air + p-toluene sulfonic acid T = 130 150 o C Butanolisis Butil glikosida t = 30 menit P = 3 5 bar Alkohol lemak + p-toluene sulfonic acid o t = 120 menit Transasetalisasi Air + butanol P = vakum + NaOH sd pH 8 10 Netralisasi Distilasi APG Kasar Pelarutan Air T = 160 180 o C P = vakum Alkohol lemak Pemucatan Bleaching H 2 O 2 Alkil Poliglikosida APG Gambar 12 Metode sintesis APG dua tahap. 55 2 3 1 4 Keterangan: 5 6 5 7 1 = reaktor berjaket 2 = motor pengaduk 3 = kondensor 5 = separator 6 = tangki silika gel 7 = pompa vakum 4 = jaket pemanas Gambar 13 Skema peralatan proses produksi APG dalam reaktor batch. Konfirmasi struktur dan evaluasi sifat-sifat aktif permukaan APG Alkil poliglikosida APG yang dihasilkan dikonfirmasi struktur kimianya dengan menggunakan tool analisis Fourier transform infrared spectroscopy FTIR dan dievaluasi sifat-sifat aktif permukaannya. Evaluasi sifat-sifat aktif permukaan ini meliputi tegangan permukaan, tegangan antarmuka, HLB, dan kestabilan emulsi. Karakteristik APG yang dihasilkan dibandingkan dengan APG komersial Cognis sebagai acuan. Adapun metode analisisnya disajikan pada Lampiran 1. Kajian fenomena adsorpsi APG pada antarmuka fluida-fluida Surfaktan nonionik APG ini larut dalam air, karena itu adsorpsi dipelajari pada permukaan air-udara untuk tegangan permukaan dan air-xilena untuk tegangan antarmuka. Persamaan keadaan permukaan yang digunakan untuk menduga tegangan permukaan diturunkan dari persamaan adsorpsi Gibbs dan model isotherm Langmuir. Untuk konsentrasi surfaktan rendah, konsentrasi permukaan pada antarmuka dapat diperkirakan dari slope pengeplotan vs ln c pada suhu konstan, 56 berdasarkan persamaan adsorpsi Gibbs dengan anggapan larutan encer ideal Chang dan Franses, 1995: 1 d RT d ln c 21 dimana c adalah konsentrasi solut di dalam fase cair, tegangan permukaan atau tegangan antarmuka, R adalah tetapan gas, dan T adalah temperatur absolut. Isotherm non-linier yang paling umum digunakan adalah isotherm Langmuir: K L C 1 K L C 22 dimana adalah konsentrasi permukaan maksimum dan K L adalah konstanta adsorpsi kesetimbangan Langmuir. Dengan menyisipkan Pers. 22 ke dalam Pers. 17 didapatkan RT ln1 K L C 23 Persamaan 23 adalah persamaan keadaan permukaan. Persamaan ini mempunyai dua parameter yang tidak diketahui, yaitu dan K L . Perhitungan harga parameter K L dan dilakukan dengan cara optimasi non linear multi peubah, yaitu dengan meminimumkan jumlah kuadrat kesalahan antara data tegangan permukaan yang diukur atau percobaan dan harga prediksi atau model. Metode optimasi non linier multi peubah yang digunakan adalah metode Nelder- Mead dengan bantuan paket perangkat lunak Matlab. Kinetika emulsifikasi dan uji stabilitas emulsi Skin lotion termasuk golongan kosmetik pelembab kulit yang terdiri dari berbagai minyak nabati, hewani, maupun sintesis yang dapat berfungsi sebagai lemak buatan pada permukaan kulit. Kosmetik pelembab kulit umumnya berbentuk sediaan cairan minyak atau campuran minyak dalam air yang dapat ditambahi atau dikurangi zat tertentu untuk tujuan khusus Wasitaatmadja 1997. 57 Untuk kajian kinetika emulsifikasi, emulsi disiapkan dengan melarutkan 2 berat APG dalam 92 air pada suhu 60 o C, kemudian ditambahkan 6 mineral oil. Campuran ini diaduk dengan homogenizer pada kecepatan 1500 rpm, 2000 rpm dan 2500 rpm. Pengukuran distribusi ukuran globula dilakukan setiap interval waktu 5 menit hingga 25 menit dengan mikroskop. Proses pembuatan skin lotion dilakukan dengan memanaskan 1,85 berat asam stearat, 1,85 setil alkohol, 5,5 mineral oil, 0,1 metil paraben, dan 0,1 propil paraben pada suhu 60 o C disertai pengadukan hingga terbentuk Sediaan A. Diagram alir pembuatan Sediaan A dapat dilihat pada Gambar 14. Kemudian 85,6 berat air, 3 APG dan 1,8 alkohol dilarutkan disertai pemanasan dan pengadukan pada suhu 60 o C sehingga terbentuk Sediaan B. Diagram alir pembuatan Sediaan B dapat dilihat pada Gambar 15. Sediaan A yang telah terbentuk dimasukkan ke dalam Sediaan B sambil terus diaduk sehingga terbentuk skin lotion dan ditambahkan TEA dan parfum Gambar 16. Sediaan A Mineral oil Setil alkohol Metil paraben Popil paraben Asam stearat Pemanasan 60 o C disertai pengadukan Sediaan A Gambar 14 Diagram alir pembuatan sediaan A. 58 Sediaan B Alkohol Air APG Pengadukan dan pemanasasan 60 o C Sediaan B Gambar 15 Diagram alir pembuatan sediaan B. Sediaan C Sediaan A Sediaan B Parfum TEA Pengadukan Skin lotion Gambar 16 Diagram alir proses pembuatan skin lotion. Skin lotion yang dihasilkan diuji sifat-sifat fisiknya meliputi: pengujian pH, viskositas dan penampakan. Penetapan stabilitas emulsi dari skin lotion dilakukan dengan cara sederhana, yaitu dengan cara pengukuran berdasarkan pemisahan dengan asumsi bahwa sistem emulsi yang sempurna bernilai 100. Emulsi 59 dimasukkan ke dalam tabung reaksi setinggi 10 cm. Persentase air atau minyak yang terpisah pada periode waktu yang ditetapkan dicatat. Selain itu pengujian stabilitas emulsi juga dilakukan dengan cara dipercepat, yaitu dengan cara sentrifugasi. Sentrifugasi pada putaran 3750 rpm dalam tabung sentrifugasi setinggi 10 cm selama 5 jam dapat dikatakan ekivalen dengan pengaruh gravitasi selama 1 tahun Lachman et al. 1994. Tahap 2. Pengembangan proses produksi APG dari pati sagu Pada pengembangan proses ini, bahan baku yang digunakan dalam sintesis APG adalah pati sagu dan dodekanol. Pati sagu memiliki kelebihan dibandingkan glukosa karena pati sagu banyak tersedia dan harganya relatif murah dibandingkan glukosa. Selain itu pati sagu tidak mudah terjadi pembentukan warna gelap dari APG. Proses yang digunakan dalam sintesis APG adalah proses Fischer dua tahap. Kondisi proses yang digunakan adalah kondisi proses optimum dari tahapan sebelumnya. Hasil sintesis APG dari pati sagu pada tahap sebelumnya dijadikan dasar untuk mengembangkan proses pada skala yang lebih besar menurut metode linier. Perhitungan neraca massa pada tiap-tiap tahapan proses dilakukan pada keadaan tunak. Kemudian dihitung ukuran peralatan utama dalam mensintesis APG dan prakiraan biaya produksi APG berdasarkan harga peralatan. Pada Tahap ini juga dilakukan uji produksi APG dalam reaktor 10 L berdasarkan kondisi proses optimum yang diperoleh pada tahap sebelumnya sintesis APG dari pati sagu. Dalam reaktor ini diusahakan pengadukannya dapat dikendalikan dengan menggunakan impeller anchor dan motor pengaduk. Bahan baku yang digunakan dalam uji coba ini adalah pati sagu. Parameter-parameter yang diamati sama seperti pada tahap sebelumnya, yaitu konfirmasi struktur kimia APG dan sifat-sifat aktif permukaan dari APG. Tahap 3. Kajian kelayakan finansial industri alkil poliglikosida APG Kajian kelayakan finansial ini dilakukan untuk menduga kelayakan dari rancangan proses produksi APG dari pati sagu dan alkohol lemak C 12 pada skala industri. Untuk itu disusun analisis biaya untuk keperluan produksi surfaktan alkil poliglikosida. Analisis finansial untuk proses produksi surfaktan APG terdiri dari 60 dua bagian, modal investasi dan modal kerja. Modal investasi dapat dibagi dalam dua kategori yaitu biaya langsung dan biaya tidak langsung. Biaya langsung meliputi biaya peralatan, biaya instalasi peralatan, instrumentasi dan kontrol, pemipaan piping, instalasi listrik, bangunan, fasilitas layanan, dan lahan. Biaya tidak langsung meliputi engineering dan pengawasan, biaya konstruksi, dan kontijensi. Modal kerja dapat dibagi dalam dua kategori yaitu biaya produksi operasional dan biaya umum. Biaya produksi berkaitan dengan semua biaya yang berhubungan langsung dengan operasi produksi atau kegiatan pengolahan bahan baku di pabrik. Biaya-biaya ini dapat dibagi dalam tiga kategori, yaitu biaya produksi langsung, biaya tetap, dan biaya overhead pabrik. Penilaian kelayakan dilakukan dengan menggunakan kriteria kelayakan investasi, yaitu: 1 NPV Net Present Value. Jika NPV sama dengan nol atau lebih besar dari nol, maka suatu industri dinyatakan layak karena biaya yang dikeluarkan lebih kecil dari pada nilai keuntungan atau hasil yang diperoleh. Sedangkan bila NPV lebih kecil dari nol, suatu industri dinyatakan tidak layak karena biaya yang dikeluarkan lebih besar dari pada nilai keuntungan atau hasil yang diperoleh. 2 IRR Internal Rate of Return. IRR dari suatu proyek yang layak adalah jika discount rate proyek lebih besar dari tingkat suku bunga yang berlaku. 3 Net BC Net Benefit-Cost. Proyek dikatakan layak jika net BC lebih besar dari satu. 4 BEP Break Even Point. Kondisi dimana perusahaan berproduksi pada tingkat produksi tertentu yang menyebabkan pengeluaran biaya sama dengan pemasukan penerimaan atau laba = 0 atau nilai NPV 0. 5 PBP Pay Back Period. Lamanya waktu agar dana yang telah diinvestasikan dapat dikembalikan seluruhnya. Tahap akhir dilakukan analisis sensitivitas. Sensitivitas kelayakan usaha ini dilakukan pada dua komponen, yaitu komponen pendapatan dan komponen harga bahan baku. BAB I V HASI L DAN PEMBAHASAN

4.1 Optimasi Proses Produksi APG Dari Glukosa dan Pati Sagu

APG merupakan salah satu jenis surfaktan nonionik. Secara tipikal surfaktan terdiri dari komponen hidrofilik dan hidrofobik. Gugus hidrofilik ini dapat diperoleh dari glukosa atau pati, sedangkan gugus hidrofobik dapat diperoleh dari alkohol lemak dodekanol. Jadi dapat dikatakan bahwa komponen utama dalam sintesis APG adalah glukosa atau pati dan dodekanol. Karena itu rasio mol glukosapati dengan mol dodekanol dipilih sebagai salah satu peubah dalam penelitian ini. Suatu reaksi baru bisa terjadi bila fasenya homogen, yaitu satu fase. Jadi glukosa baru bereaksi dengan dodekanol pada suhu reaksi di atas titik lelehnya. Titik leleh glukosa antara 146 150 o C. Namun bila kondisi reaksi vakum titik leleh glukosa akan berkurang. Karena itu dalam penelitian ini dipilih suhu astetalisasi dalam rentang 100 120 o C sebagai peubah.

4.1.1 Pengembangan Model Empiris

Rancangan komposit terpusat telah digunakan untuk mengembangkan korelasi antara peubah-peubah rasio mol glukosa dodekanol x 1 dan suhu asetalisasi x 2 terhadap yield pada sintesis APG dari glukosa, sedangkan pada sintesis APG dari pati sagu, korelasi yang dikembangkan antara peubah-peubah rasio mol pati sagu dodekanol x 1 dan suhu butanolisis x 2 . Matriks rancangan percobaan untuk sintesis APG dari glukosa dan pati sagu bersama nilai yield yang didapatkan dari penelitian masing-masing ditunjukkan pada Tabel 11 dan Tabel 12. Menurut model sekuensial jumlah kuadrat, model dipilih berdasarkan polinomial order tertinggi dimana term-term model signifikan dan model tidak aliased. Untuk yield APG dari glukosa model linier disarankan karena nilai Prob F adalah 0,0001; sedangkan untuk yield APG dari pati sagu model kuadrat No Peubah sebenarnya x 1 x 2 X 1 X 2 No Peubah sebenarnya x 1 x 2 X 1 X 2 62 disarankan, yang dalam hal ini dipilih karena polinomial orde yang lebih tinggi dengan nilai Prob F adalah 0,0212. Tabel 11 Matriks rancangan percobaan sintesis APG dari glukosa dan hasil yield Peubah dengan sandi Yield percobaan 1. 1:3 100 -1 -1 26,35 2. 1:6 100 1 -1 22,55 3. 1:3 120 -1 1 30,30 4. 1:6 120 1 1 23,88 5. 1:2,38 110 -1,414 28,66 6. 1:6,62 110 1,414 23,97 7. 1:4,5 95,86 -1,414 24,01 8. 1:4,5 124,14 1,414 27,69 9. 1:4,5 110 26,26 10. 1:4,5 110 25,26 Tabel 12 Matriks rancangan percobaan sintesis APG dari pati sagu dan respon yield. Peubah dengan sandi Yield percobaan 1. 1:2,5 130 -1 -1 26,52 2. 1:6 130 1 -1 27,84 3. 1:2,5 150 -1 1 32,08 4. 1:6 150 1 1 35,65 5. 1:1,78 140 -1,414 30,94 6. 1:6,72 140 1,414 33,57 7. 1:4,25 125,86 -1,414 29,03 8. 1:4,25 154,14 1,414 34,84 9. 1:4,25 140 37,15 10. 1:4,25 140 39,69 Koefisien model untuk respon ditentukan dengan menggunakan teknik analisis regresi ganda yang termasuk dalam RSM. Model linier yang diperoleh , . , , , , , , , 63 dalam peubah-peubah bebas yang disandikan untuk sintesis APG dari glukosa adalah: 24 dan model kuadratik untuk sintesis APG dari pati sagu adalah 25 Kecocokan model empiris yang dikembangkan dievaluasi berdasarkan harga koefisien korelasi. Harga R untuk Pers. 24 adalah 0,92. Harga R yang didapat relatif tinggi, yang menunjukkan bahwa kesesuaian yang baik antara harga percobaan dan harga prediksi dari model. Harga koefisien determinasi R 2 adalah 0,846. Ini menunjukkan bahwa 84,6 dari total ragam yield dapat dihubungkan dengan peubah bebas yang dikaji dan hanya 15,4 dari total ragam tidak dapat dijelaskan oleh model. Standar deviasi adalah 0,78. Semakin dekat harga R 2 dengan satu dan semakin kecil standar deviasi akan didapat model yang lebih baik, dimana model tersebut akan memberikan harga prediksi yang lebih dekat dengan harga sebenarnya. Harga koefisien determinasi R 2 untuk Pers. 25 adalah 0,861. Ini menandakan bahwa 86,1 dari total ragam yield dapat dihubungkan dengan peubah-peubah bebas dan hanya 13,9 dari total ragam tidak dapat dijelaskan oleh model. Harga koefisien korelasi yang lebih tinggi, R = 0,9278, menjustifikasi bahwa korelasi baik antara peubah-peubah bebas. Kesesuaian model selanjutnya dijustifikasi melalui sidik ragam ANOVA. ANOVA untuk model yield linier dan kuadratik dapat dilihat pada Lampiran 6 untuk sintesis APG dari glukosa dan untuk sintesis APG dari pati sagu. Bila harga Prob F kurang dari 0,05 menunjukkan bahwa suku-suku model signifikan dan bila harga Prob F lebih besar dari 0,1 menunjukkan bahwa suku-suku model tidak signifikan. Dari Lampiran 6 terlihat bahwa Prob F untuk yield APG dari glukosa adalah 0,0001 berarti kurang dari 0,05, ini menyiratkan bahwa model itu signifikan. Berdasarkan F-value terlihat baik rasio mol glukosa-dodekanol dan suhu asetalisasi mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap yield APG yang dihasilkan. Y ield m odel 64 Untuk sintesis APG dari pati sagu terlihat bahwa suku-suku model signifikan Lampiran 6. Suhu butanolisis, dan suku-suku kuadratik dari rasio mol pati sagu-dodekanol dan suhu butanolisis mempunyai pengaruh yang signifikan sedangkan rasio mol pati sagu-dodekanol x 1 dan suku interaksi x 1 x 2 tidak signifikan terhadap respon stabilitas emulsi. Dari hasil statistik yang diperoleh menunjukkan bahwa model di atas baik Pers. 24 maupun Pers. 25 cukup memadai untuk memprediksi yield APG dalam kisaran peubah yang diteliti. Gambar 17 dan Gambar 18 masing-masing menunjukkan harga-harga prediksi versus harga-harga percobaan untuk yield pada sintesis APG dari glukosa dan dari pati sagu. Seperti terlihat, harga-harga prediksi yang diperoleh cukup dekat dengan harga-harga percobaan, hal ini menunjukkan bahwa model yang dikembangkan berhasil mengkorelasikan antara peubah- peubah bebas dengan yield. 32 30 28 26 24 22 22 24 26 28 30 32 Yield percobaan Gambar 17 Perbandingan antara yield percobaan dan yield prediksi dari model untuk APG dari glukosa. Yield APG berbahan baku glukosa divisualisasikan melalui permukaan respon tiga dimensi Gambar 19 dan plot kontur permukaan respon Gambar 20. Dari Gambar 19 terlihat bahwa yield meningkat dengan meningkatnya suhu asetalisasi dan berkurang dengan naiknya rasio mol glukosa-dodekanol. Harga